安新縣地下水多組分含量分析及水質評價

賈亮亮，田曉華，劉華杰

（1河北省水文工程地質勘查院，石家莊 050021；2河北大學生命科學學院，河北保定 071002）

0 引言

地下水作為水資源的重要組成部分，在社會經濟發展中發揮了重要作用，保障了糧食安全生產[1]。地下水是與環境（自然地理、地質背景以及人類活動）長期互相作用的產物，化學成分比較復雜[2-3]。河北省主要的供水水源就是地下水，特別是在河北平原的廣大農村、壩上高原等地區，甚至是唯一可利用的水源。地下水分布范圍廣、儲存量大、自我調節能力強、能以豐補歉、供水安全保障程度高，但是一旦污染難以恢復[4-7]。

雄安新區生態文明建設非常重要，地下水水質情況更是與人類健康息息相關，是雄安新區建設的重中之重。堅持生態優先，全面落實習總書記“以水定城、以水定地、以水定產、以水定人”的重要指示精神為出發點。本研究結合安新縣地理位置和水文地質條件，采取45組地下水，通過儀器分析和容量分析有機結合的方式對地下水中多種化學組分進行快速準確測定，對分析結果進行數理統計分析及水化學特征研究，按照《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)對水質現狀予以評價[8]。研究結果對該區地下水資源的合理開發利用和科學管理提供依據，摸清安新縣地下水水質現狀的同時，對促進該區社會經濟發展和生態環境保護，具有重要的理論和實際意義[9-12]。

1 研究區概況

安新縣隸屬于河北省保定市，由雄安新區代管，屬暖溫帶半濕潤大陸季風氣候。安新縣因受歷史上冀中拗陷和黃河改道及太行山東麓永定河、滹沱河沖積扇的影響，形成特殊形貌，屬扇前洼地堆積區。西、南、北有沖積洼地平原，東有華北平原最大的淡水湖泊-白洋淀。含水層巖性以細砂為主，厚度一般60～100 m，地下水補給、徑流條件較差，深層地下水富水性呈現由北向南逐漸減小的趨勢，南部單井涌水量一般1000～3000 m3/d，北部一般3000～5000 m3/d。

2 試驗方法

2.1 樣品采集

為了了解安新縣地下水的水質狀況，以評價適應農村人、畜飲用，工農業生產為目的，選取有代表性的地段采取水樣。本次調查共取地下水45組，研究區取樣點分布圖，見圖1。

圖1 取樣點分布圖

具體水樣采集方法如下：用聚乙烯瓶作為采樣瓶，水樣采集前先用蒸餾水清洗3次，再用待采集水樣潤洗3次。根據不同的測試指標，加入相應的保護劑，主要目的是為了防止采取的水樣發生氧化、還原、吸附等物理、化學變化。取樣后密封保存，送至實驗室檢測。樣品從取樣、保存、送檢均按標準嚴格管理，操作過程按照《生活飲用水標準檢驗方法水樣的采集與保存》中所規定的方法進行。

2.2 樣品測定

鉀、鈉、鎂、鈣采用ICP-OES測定；氯化物、硫酸鹽、硝酸鹽采用離子色譜法測定；氟化物、偏硅酸采用紫外分光光度法測定；總硬度采用EDTA絡合滴定法；重碳酸鹽采用酸堿滴定法；溶解性總固體采用重量分析法。

2.3 統計分析

用Shapiro-Wilk test檢驗每個指標的數據分布是否符合正態分布(P≥0.05)，發現14個指標中僅pH和偏硅酸符合正態分布,。因此，以箱式圖展示各指標的數據變異，以小提琴圖展示數據分布，以變異系數(coefficient of variation，CV')表示數據的離散程度，計算公式如(1)所示。

其中Q3為上四分位數，Q1為下四分位數。

3 結果與討論

3.1 樣品測定結果

從野外采取的水質樣品帶回實驗室，按照2.2要求，對采樣點各組分進行檢測，測試結果見表1。

表1 采樣點各組分測試結果

續表1

3.2 地下水化學特征

研究區45組地下水水樣的水化學參數，見表2。

表2 45組地下水水化學參數

由表2可知：該區地下水在pH 7.02～8.43之間，均值為pH 7.74，屬偏弱堿性水。在各評價指標中，pH和偏硅酸空間變異最低(CV＜30%)；K+和NO3-的空間變異性最高(CV＞100%)；其余指標的空間變異中等(CV：30%～100%)。地下水中陽離子均值由大到小順序為：Na+＞Ca2+＞Mg2+＞K+，以Na+為主；陰離子均值由大到小依次為 HCO3-＞SO42-＞Cl-＞NO3-，以HCO3-為主。

為了顯示45組地下水多組化學成分數據的分布狀態以及概率密度，通過數理統計分析，做了小提琴箱式圖，圖中清晰顯示了所有化學組分實驗數據的分布特征，詳見圖2。

圖2 箱式圖

3.3 地下水水化學類型

本研究采用前蘇聯學者舒卡列夫分類法對水化學分類[13]，以毫克當量大于25%作為劃分類型，研究區水樣的分析結果共計6種，但以HCO3-Na型為主，HCO3·SO4-Na·Mg型次之。為進一步反映水樣的化學類型及各種離子的相對含量，采用三元相圖對研究區內的地下水進行水化學分析及統計，結果如圖3所示。在陽離子三角圖中（圖3a），水樣點大部分落在三角形的頂部，鈣鎂離子缺乏；在陰離子三角圖中（圖3b），水樣點落在三角形的右上部，氯化物貧乏。地下水水化學類型以為HCO3-Na型水為主，與舒卡列夫分類法研究結果一致。

圖3 三元相圖

3.4 空間分布格局

使用主成分分析(PCA)將水化學參數根據其相關系數進行降維，簡化水化學特征的空間分布格局。由于pH和偏硅酸含量符合國家III類水標準且變異低，故對除這二項之外的其他水化學參數進行的PCA分析，見圖4。

圖4 45個樣點地下水水化學參數的空間分布圖

通過PCA作圖可知，B2481和B2487點位的F-、Na+異常；B0480點位的SO42-異常；B2381和B2656點位的總硬度異常。原因分析如下：

本次調查取樣，B2481點位氟化物高于地下水質量III類標準，可能是地下沉積物中有CaF、NaF等無機形態存在，外加含氟量較高的母質礦物遇水溶解造成的，這與氟化物的分布規律與地貌類型相吻合[14]。

B0480點位SO42-高于地下水質量III類標準，可能是因為安新縣部分區屬壤質土沖積平原，由于河流多次交互沉積以及剝蝕沉積作用，形成了微度起伏的地形和一些中小地貌，而這種特殊的地形地貌有可能造成此地下水中硫酸鹽偏高[15]。

B2381和B2656點位的總硬度遠高于地下水質量III類標準，有可能是鹽效應的影響。B2381和B2656點位的TDS均＞1000 mg/L，在TDS較高的地下水中，離子強度增大，離子對數量增多，游離態離子數量減少，外加方解石、白云巖、含鎂的硅酸鹽的溶解效應，使更多的鈣、鎂進入地下水中從而導致總硬度升高[16]。

3.5 水質評價

地下水水質現狀評價是地下水資源評價和保護的重要內容，通過對地下水水化學資料的分析，可以科學地評價區域地下水體的質量狀況。本研究參照《地下水質量標準》(GB/T 14848—2017)作為評價依據，對有地下水質量分類（Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類）賦予值的5個化學組分進行水質評價。單指標評價，按指標值所在的限值范圍確定地下水質量類別，指標限值相同時，從優不從劣；地下水質量綜合評價，按單指標評價結果最差的類別確定，評價結果如圖5。

圖5 45個樣點地下水氣泡圖

4 結論

通過野外調查取樣，對研究區內的45組地下水進行快速準確檢測，獲得實驗結果。綜合運用描述性數理統計分析，分析了安新縣地下水的主要離子特征，并在此基礎上進行了水質評價，得到以下結論：

（1）該區地下水偏弱堿性，水化學類型以HCO3-Na型為主。

（2）在各個指標中，pH和偏硅酸的變異系數小于30%，說明pH和偏硅酸值相對較穩定；K+和NO3-的變異系數大于100%，說明其含量在空間上存在較強的變異性；其余評價指標的變異系數介于30%～100%，顯示出中等變異性。

（3）水質評價結果表明，改區地下水水質總體情況較好，多為Ⅲ類水。少數地區地下水化學組分含量較高，評價結果為Ⅳ類，適用于農業和部分農業用水，但適當處理后仍可做生活飲用水。